METABOLISME DE L’EXERCICE UV 303/308 HYDRATES DE CARBONE P.Pilardeau 1 METABOLISME DES HYDRATES DE CARBONE Le métabolisme des hydrates de carbones concerne essentiellement les voies métaboliques du glucose. Pour faciliter la compréhension du fonctionnement de ces voies et de leurs régulations ce paragraphe sera divisé en six chapitres : Phosphorylation du glucose Métabolisme du glycogène Glycolyse Métabolisme du pyruvate La voie de l’oxydation La néoglucogenèse. 1. MECANISMES DE PHOSPHORYLATION 1.1 GLUCOSE Le glucose est apporté dans l'alimentation sous forme de glucose simple (fruits, boisson énergétique) de saccharose (sucre de cuisine) ou d'amidon (cette dernière forme représente plus des 3/4 du glucose alimentaire). Chez l'homme au repos environ 50% du glucose ingéré est utilisé comme source énergétique immédiate. Les 50% restant sont mis en réserve sous forme de glycogène ou de triglycérides. CH2OH OH O OH Glucose OH OH 1.1.1 Ingestion de glucose Le glucose ingéré est très rapidement retrouvé au niveau plasmatique (moins d’une demiheure après). La quantité relative de glucose exogène peut représenter une fraction importante du glucose plasmatique (25 mmol). Ainsi, trente minutes après une ingestion de glucose de 10, 30 et 40g, la fraction exogène représente 25, 45 et 65% du glucose circulant. Au niveau intestinal, le glucose franchit la membrane de l’entérocyte de façon passive, mais aussi de façon facilité avec un transporteur selon le modèle de Crâne. Il s’agit d’une diffusion facilitée couplée à la pompe à sodium. Ce système fait intervenir une protéine membranaire comportant des sites de reconnaissance pour le glucose et le sodium. La bascule de cette protéine dans la membrane libère dans le milieu intérieur le Na+ et le glucose (les concentrations de ces deux éléments sont plus faibles dans le cytoplasme). Le sodium est extrudé de la cellule par une pompe à sodium ATPasique. 2 Na+ Glucose Fixation du Na+ Augmentation de l’affinité Bascule de la protéine Pour le glucose libération du Na+ et du glucose Na+ K+ Pompe NA+/K+ Contrairement au système précédent, il existe une vitesse limite (système saturable) et une dépense énergétique pour évacuer le sodium. Grace à ce système, 100% du glucose intestinal passe dans la circulation. 1.1.2 Pénétration cellulaire - Passage de la membrane Pour être utilisé, le glucose plasmatique doit franchir les membranes cellulaires. En fonction de l’organe la membrane cellulaire offre plus ou moins de résistance au passage de cette molécule. On distingue deux types de cellules, les cellules insulinodépendantes et les cellules non insulinodépendantes. Pour les tissus non insulino-dépendants (hépatocyte, neurones, érythrocytes) le glucose diffuse dans la cellule. Sa pénétration est uniquement fonction du gradient de concentration entre le plasma et le cytoplasme cellulaire. Dans le cas des tissus insulino-dépendants, le franchissement de la membrane nécessite la présence d’un transporteur et d’une hormone, l'insuline. Les principales cellules concernées sont les cellules musculaires, endocrines, adipocytaires. 1.1.3 Phosphorylation La phosphorylation est assurée, dès le passage de la membrane cellulaire, par l'hexokinase dans toutes les cellules de l'organisme, à l'exclusion du foie où cette fonction est assurée par la glucokinase. Enzyme / Cellule Hexokinase Glucokinase Insulino-dépendante muscle, adipocyte / Non insulino-dépendante neurones, érythrocytes hépatocyte Le glucose entrant dans la cellule est immédiatement phosphorylé en G-6-P. Sous cette forme il ne peut ressortir de la cellule. 3 Hexo ou Gluco kinase Glucose G-6-P ATP ADP Ces deux enzymes sont irréversibles. Hexokinase L’hexokinase est une enzyme peu spécifique. La régulation de cette enzyme est assurée par le G-6-P (rétrocontrôle négatif). --Hexokinase G G-6-P ATP ADP La diminution du G-6-P cellulaire se produit lors de l'activation de la glycolyse (exercice musculaire) ou de la glycogénogenèse (phase de récupération après un exercice). Cellule musculaire Exercice musculaire Repos, lors de la reconstitution des réserves Glycogène Glycogène (Glycogénogenèse stimulée par l’insuline) G G-6-P G G-6-P Pyruvate Cycle de Krebs +++ Cycle de Krebs Glucokinase La glucokinase est une enzyme cytosolique hépatique très spécifique dont le mode de fonctionnement diffère sensiblement de celui de l'hexokinase pour sa régulation. Le Km élevé de cette enzyme (10-2 mol), donc sa moins grande affinité, permet de moduler les apports de glucose au foie en fonction de la valeur de la glycocytie (les fortes concentrations de glucose intracellulaire augmentent la vitesse de réaction). Quand la glycémie portale est élevée, après un repas, le foie capte le glucose par diffusion augmentant ainsi la glycocytie. Au contraire, quand la glycémie portale diminue (<5,5mmol/1), à distance d’un repas, le glucose ne peut plus être capté par l'hépatocyte et phosphorylé. La glucokinase n'est pas régulée par son produit, le G-6-P, comme l'hexokinase, mais par son substrat. Sa synthèse peut être induite par l'insuline. 4 +++ Glucokinase G G-6-P ATP ADP La pénétration du glucose dans la cellule, et son utilisation in situ après phosphorylation, sont deux mécanismes étroitement intriqués. Schématiquement il existe deux situations différentes. Au niveau cellulaire périphérique le glucose entré dans la cellule ne pourra servir qu’à cette cellule à l’exclusion de toute autre. L’absence de G-6-P phosphatase locale interdit toute restitution de glucose, donc une éventuelle remise à disposition pour les autres cellules. Au niveau de la cellule hépatique existe une G-6-P phosphatase permettant la redistribution du glucose, provenant de l’alimentation de la glycogénolyse ou de la néoglucogenèse, au plasma pour maintenir la glycémie et alimenter les autres cellules en glucose. Le foie est un carrefour essentiel du métabolisme glucidique : = Il reçoit la totalité du glucose ingéré = Il gère les réserves de glycogène = Il est capable de synthétiser de novo du glucose grâce à la néoglucogenèse = Il utilise du glucose pour la synthèse du cholestérol et des acides gras, via la glycolyse. = Il maintient l’homéostasie glucidique Glycogène Glucose alimentaire G-6-P Glucose plasmatique Acides gras Néoglucogenèse Glycolyse Cholestérol 1.1.4 Rôle de la G-6-P Phosphatase hépatique Il s’agit d’un carrefour essentiel dans la distribution du G-6-P La G-6-P phosphatase est une enzyme irréversible activée par son substrat. +++ G-6-P Phosphatase hépatique G-6-P Pi + Glucose Circulation 5 Quand la concentration locale de G-6-P est élevée, la G-6-P Phosphatase hépatique est stimulée, de grandes quantités de glucose sont mises en circulation. 1.1.4.1 Effet d’une absorption de glucose sur le métabolisme hépatique. Lors d’une arrivée massive de glucose par la veine porte, la glucokinase, activée par son substrat, produit de grandes quantités de G-6-P. Celui-ci active à son tour la G-6-P Phosphatase, qui redonne du glucose, libéré dans la circulation. Il s’agirait donc dans ce cas d’un cycle futile, mais dont le rôle est essentiel pour orienter le glucose ingéré vers la circulation ou les métabolismes hépatiques. En fait le mot « futile » ne peut s’adresser à ce mécanisme car le point de départ (entrée dans la cellule) et d’arrivée (sortie de la cellule) sont anatomiquement distincts. +++ Glucokinase G portal G-6-P ATP ADP +++ G-6-P Phosphatase hépatique Glucose + Pi plasmatique Le glucose mis en circulation, après une ingestion massive, passe donc d’abord sous la forme de G-6-P, avant d’être transformé à nouveau en glucose. 1.1.4.2 Effet du jeûne Lors du jeûne, le G-6-P est produit en grande quantité par la glycogénolyse et la néoglucogenèse (substrats : acides aminés, glycérol), il active la G-6-P Phosphatase qui libère le glucose pour maintenir la glycémie. Glycogénolyse +++ +++ G-6-P Phosphatase hépatique Néoglucogenèse +++ G–6-P Glucose + Pi plasmatique Notez que, du fait de la très faible concentration de glucose dans la veine porte, la glucokinase est pratiquement à l’arrêt. 1.1.4.3 Effet de l’exercice physique Lors de l’exercice physique, le mécanisme est identique, seuls les substrats de la néoglucogenèse sont différents (acide lactique, glycérol, alanine) 1.1.4.4 Effet d’une ingestion de glucose pendant l’activité physique L’arrivée massive de glucose par la veine porte stimule la glucokinase, qui synthétise du G-6P. Celui-ci s’additionne au G-6-P provenant de la néoglucogenèse et de la glycogénolyse, et freine par rétrocontrôle le glycogénolyse, induisant ainsi une épargne de glycogène hépatique. Glycogène - - - Glycogénolyse +++ Glucokinase ++++ G-6-P phosphatase Glucose alimentaire G-6-P Glucose Néoglucogenèse 6 1.1.4.5 Effet d’une ingestion de glucose après l’activité physique Après l’activité physique les réserves glycogéniques hépatiques sont excessivement basses. La glycogénogenèse est activée (voir § suivant), le G-6-P est immédiatement intégré dans cette voie, son taux hépatocytaire reste donc peu élevé, la G-6-P phosphatase est très peu activée. Glycogène Glycogénogenèse ++ +++ Glucokinase G-6-P phosphatase Glucose alimentaire G-6-P Glucose 1.1.4.6 Effet d’ingestions itératives de glucose L’ingestion répétée d’hydrates de carbone ne permet en aucun cas de surmultiplier les réserves de glycogène hépatique. Au niveau de l’hépatocyte, la glucose-6-P phosphate est donc activée, et délivre de grandes quantités de glucose dans la circulation. Cette hyperglycémie a pour effet de provoquer un hyperinsulinisme, et de ce fait, la stimulation des acides gras hépatiques via la glycolyse. Glycogène -Glycogénogenèse Insuline +++ +++ Glucokinase ++ G-6-P phosphatase Glucose alimentaire G-6-P Glucose +++ +++ Pénétration dans la cellule Glycolyse Synthèse des Acides gras 1.1.5 Effets d'une ingestion de glucose sur les sécrétions hormonales Glucose et réponse insulinique - Au repos L'ingestion de glucose est responsable d'une hyperglycémie dans la demi-heure qui suit, et d'une réponse insulinique (voir insuline). Cependant, l’état métabolique du sujet ou son rapport masse maigre / masse grasse (M/G) est susceptible de modifier l’importance de la réponse et sa durée. Ainsi, l’ingestion de 100 g de glucose, chez des body builders présentant un rapport M/G très élevé, semble mieux tolérée que chez le sujet sédentaire ou le sujet obèse. Le pic le moins élevé et surtout le retour à la normal est réalisé beaucoup plus rapidement. Ce phénomène s’accompagne d’une réaction insulinique deux fois plus faible que chez l’obèse. Il peut être expliqué par la plus grande masse musculaire et un effet permissif accru des membranes musculaires pour le glucose. - A l’exercice Si l’ingestion de glucose est réalisée pendant la pratique sportive le pic insulinique ne se produit pas du fait du taux élevé de catécholamines circulantes. Si cette ingestion est proposée dans le premier quart d’heure, on peut seulement noter une diminution moins rapide de l’insulinémie. Cependant, si l’exercice est de très faible intensité (<30% de la VO2 max) et prolongé l’ingestion de 200 g de glucose est responsable d’un hyperinsulinisme (la valeur de repos peut être multipliée par 2). 7 Réponse insulinique sans glucose Il existe d’autres moyens de provoquer une décharge d’insuline sans ingestion de glucose. L’absence d’apport aboutit très vite à une sensation de faim, puis à une hypoglycémie réactionnelle. L’odorat (une odeur agréable devant une rôtisserie ou une croissanterie) peut, en stimulant l’hypothalamus, et donc par voie nerveuse, provoquer une décharge d’insuline. La vue (photographie de plats alléchants) agit selon un processus identique. Le goût est lui aussi directement impliqué dans ce processus neurologique. L’absorption de boissons faussement sucrées (édulcorants), agît également sur les centres de stimulation pancréatique. Si aucune calorie n’est présente dans cette boisson, ce qui est généralement le cas, le processus de la lipogenèse peut cependant être déclenché, mettant ainsi en péril le jeûne glucidique destiné à réduire l’excès pondéral. Glucose et réponse au glucagon - Au repos L’ingestion de glucose provoque une diminution de la glucagonémie - A l’exercice Le glucose absorbé pendant un exercice physique est responsable d’une modification des réponses hormonales. Le glucagon (normalement faiblement augmenté par l’exercice) croît moins rapidement et n’atteint, après deux heures d’exercice, que la moitié du taux observé pour le même exercice pratiqué sans apport d’hydrates de carbone (valeur de départ 145 pg/ml, avec 160 pg/ml, sans 180 pg/ml). Si l’exercice est inférieur à 30% de la VO2 max., la prise de 200 g de glucose provoque une stagnation de la glucagonémie proche de sa valeur de repos. Glucose et réponse de l’adrénaline - Au repos L’ingestion de glucose induit une diminution des catécholamines circulantes. - A l’exercice L’absorption de boisson glucosée au début d’un exercice est responsable d’une moins grande augmentation de l’adrénaline tandis que l’insuline et la noradrénaline ne sont pas sensiblement modifiées. Adrénaline en nmol/l Sans sucre Avec sucre Repos 30 60 90 120 150 0.25 0.50 0.60 2.5 2.6 2.7 0.25 0.30 0.35 0.4 0.45 0.5 minutes Variations de l’adrénaline plasmatique chez des sujets pratiquant un exercice physique entre 60 et 65% de la VO2 max, avec ou sans boisson sucrée (200 ml d’une boisson glucosée à 10%), d’après P.Felig, 1982. 8 1.2 FRUCTOSE Le fructose est un céto-héxose isomère du glucose essentiellement apporté par la consommation de saccharose (disaccharide formé d’un glucose et d’un fructose) et plus faiblement sous forme libre par les fruits. CH2OH O CH2OH OH OH Fructose OH L’ingestion de fructose ne provoque pas de réponse insulinique. Cependant, il a pu être noté qu’en situation d’hyperglycémie l’ingestion de fructose pouvait stimuler la sécrétion pancréatique. Ce phénomène encore non expliqué ne se rencontre pas lors de l’activité physique chez le sujet sain. Le fructose circulant est normalement capté en totalité par le foie où il est phosphorylé en Fructose 1 - P. 1.2.1 Métabolisme hépatique 1.2.1.1 Enzymes hépatiques Fructokinase La fructokinase est présente dans le foie, l’intestin et le rein. Il s’agit d’une enzyme très spécifique pour le fructose. (Km 0.5 mM), et dont la vitesse de réaction est très grande (jusqu’à 10 µmol/min/g de tissu) ---Fructokinase Fructose Fructose 1- P ATP ADP La régulation de cette synthèse est assurée par l’ADP produit par la réaction. L’administration d’une dose importante de fructose est responsable d’une déplétion hépatique en ATP du fait de la grande activité de cette voie métabolique Aldolase B Le fructose 1- P hépatique est ensuite clivé par l’aldolase B (son déficit est responsable de l’intolérance héréditaire au fructose) pour donner du glycéraldéhyde (GA) et de la phosphodihydroxy-acétone (P di OH acétone) qui peut rejoindre directement la glycolyse. Aldolase B Fructose 1- P GA + P di OH acétone Glycéraldéhyde kinase La Glycéraldéhyde kinase est une réaction enzymatique irréversible, nécessitant de l’ATP pour phosphorylé le GA sur le carbone 3. 9 Glycéraldéhyde kinase GA 3 PGA ATP ADP Au niveau de l’hépatocyte le fructose est métabolisé plus vite que le glucose pour deux raisons : * L’activité de la fructokinase est plus rapide que celle de la glucokinase * Le 3PGA entre directement dans la glycolyse, échappant à la régulation de la PFK1, enzyme clé de cette voie. 1.2.1.2 Métabolisme hépatique en fonction du statut hormonal Suivant le statut hormonal du sujet (insuline/glucagon) le fructose entrera dans la néoglucogenèse (Insuline/glucagon bas) ou dans la glycolyse Insuline/glucagon élevé). 1.2.1.2.1 Après un repas : L’absorption concomitante de glucose active la sécrétion d’insuline, qui, à son tour active la glycolyse. Glucose Fructokinase Aldolase Glycéraldéhyde kinase Fructose Fructose 1- P Glycéraldéhyde 3 PGA alimentaire P di OH Acétone Glycolyse Métabolisme lipidique Le 3 PGA entre directement dans la glycolyse, tandis que le 3 di OH acétone peut : soit, entrer dans la glycolyse, soit, donner le glycérol phosphate nécessaire à la synthèse des triglycérides. 1.2.1.2.2 Lors du jeune ou d’un exercice physique Lors du jeûne ou de l’exercice physique, quand la néoglucogenèse se trouve accélérée, le fructose alimentaire devient un précurseur essentiel du glucose. Glucose Néoglucogenèse Fructokinase Aldolase Glycéraldéhyde kinase Fructose Fructose 1- P Glycéraldéhyde 3 PGA alimentaire P di OH Acétone Glycolyse Métabolisme lipidique 10 Néoglucogenèse+ + + 3 PGA + P di OH Acétone Fructose 1-6 diP Fructose 6-P Glucose 6-P Glucose L’utilisation de fructose pendant la compétition est un bon moyen d’épargner le glycogène hépatique en limitant la glycogénolyse. Plusieurs expériences menées sur ce sujet ont confirmé cette donnée. 1.2.2 Métabolisme périphérique Lors de l’absorption « massive » de fructose, une fructosémie peut apparaître (La fructokinase étant débordée, le fructose franchit l’hépatocyte et se déverse dans la circulation). Bien que l’affinité de l’hexokinase musculaire soit dix fois plus faible pour ce sucre que pour le glucose, une fraction de fructose peut être incorporée aux muscles, au rein, au tissu adipeux, aux hématies, sous forme de fructose-6-P. Sa captation est très rapide (deux fois plus rapide que le glucose). Pour une charge de 0.5 g/Kg, la demi-vie du fructose plasmatique est de 18 minutes Il s’agit d’une voie très minoritaire du fait de la faible affinité de l’hexokinase pour le fructose par rapport à son affinité pour le glucose d’une part, mais surtout des très faibles taux de fructose circulant d’autre part (la fructokinase hépatique empêchant pratiquement toute fructosémie). Seule une quantité assez faible semble pouvoir être utilisée par les muscles squelettiques et les érythrocytes. Au niveau tissu adipeux, l’existence d’un transporteur spécifique rend peut-être son utilisation sensiblement plus importante. La faible quantité de fructose phosphorylé par cette voie rejoint directement la glycolyse après phosphorylation en 6 du fructose par l’hexokinase. De nombreuses expériences utilisant des injections intraveineuses de fructose ont pu montrer que le fructose, quand il se trouvait dans le plasma à de très fortes concentrations (extra physiologiques), pouvait être utilisé par le muscle au même titre que le glucose. Contrairement au galactose, le fructose ne présente pas de toxicité cellulaire. Contrairement à la galactosémie, la fructosémie n’est pas toxique. Le fructose peut alors être phosphorylé par l’hexokinase des cellules périphériques (La phosphorylation par l’hexokinase ne concerne que le métabolisme extra hépatique, muscles, adipocytes, érythrocytes). L’hexokinase fixe un phosphoryle sur le carbone 6 Hexokinase Fructose ATP Fructose 6 P ADP Contrairement au G-6-P, le F-6-P n’est pas inhibiteur de l’hexokinase. Cette absence de régulation provoque une augmentation considérable du F-6-P qui, au niveau périphérique, risque « d’emballer » la glycolyse, provoquant donc une formation importante d’acide pyruvique, responsable d’une acidification du milieu. (L’absence de néoglucogenèse dans les tissus périphériques oblige de Fructose-6-P à se diriger vers la glycolyse). La formation de lactate au repos après ingestion massive de fructose est supérieure à celle observée avec une dose équivalente de glucose. Ce phénomène peut s’expliquer par le court-circuit de l’hexokinase qui n’est pas freinée le F-6-P. 11 --Hexokinase Glucose Glucose-6-P Hexokinase Fructose Fructose-6-P Glycolyse Pyruvate Lactate Après une charge de 30 à 35 g de fructose la lactacidémie peut atteindre, au repos, dans l’heure qui suit l’ingestion, le double de la concentration de repos. Les charges de fructose ont été utilisées dans deux situations : = Chez le diabétique avec l’espoir de court-circuiter le transporteur insulinodépendant = Chez le sportif pour accélérer la glycolyse et produire plus de pyruvate Dans les deux cas, l’augmentation de la lactacidémie a conduit à un échec, l’acidification de la cellule avec décompensation chez le diabétique en coma hyperlactacidémique, et à la rhabdomyolyse chez le sportif. 1.2.3 Rôle régulateur des fructokinases Les produits issus des Phosphofructokinase 1 et 2 (Fructose 1-6 di P et Fructose 2-6 di P) assurent une fonction régulatrice par rétro inhibition pour le premier et de type covalente pour le second (voir § régulation du métabolisme hépatique du glycogène). 12 1.3 GALACTOSE Le galactose est un épimère du glucose essentiellement apporté à l’organisme par la consommation des produits lactés. CH2OH OH OH O OH Galactose OH 1.3.1 Phosphorylation Le galactose est capté et phosphorylé au niveau hépatique par une enzyme spécifique, la galactokinase. Une faible partie du galactose peut passer dans la circulation, mais la faible affinité de l’hexokinase pour ce substrat ne permet pas une phosphorylation significative de ce sucre au niveau musculaire. Galactokinase Galactose Galactose 1 P ATP ADP La galactose 1 P sera transformée en UDP galactose, puis en glucose, par deux voies différentes. Cette enzyme est adaptative, son activité augmente lors de l’ingestion importante de galactose ou plus généralement de lactose. Pendant les premières semaines de la vie, l’ingestion de lait peut donc être à l’origine de troubles momentanés de la croissance, le temps que la concentration en galactokinase hépatique soit suffisante pour métaboliser le galactose. L’intolérance au galactose correspond à un déficit en galactokinase. Ce déficit a pour effet de provoquer une augmentation de la galactosémie, responsable d’atteintes neurologiques irréversibles. 1.3-2 Métabolisme du Galactose-1-P Formation d’UDP Galactose et d’UDP Glucose UTP galactose 1 P uridyl transférase Galactose 1 P UDP Galactose UTP P-P hexose 1 P uridyl transférase UDP Galactose Galactose-1-P Glucose 1 P UDP Glucose L’UDP galactose subit alors deux épimérisations successives pour donner de l’UDP glucose, molécule utilisée pour la synthèse du glycogène. Le galactose absorbé et phosphorylé au niveau hépatique, peut donc donner du G-1 P ou de l’UDP glucose, c’est-à-dire les substrats pour la glycogénogenèse. Le galactose absorbé ne peut donc pas être utilisé directement au niveau musculaire (pas de galactosémie), mais seulement après mise en réserve sous forme de glycogène hépatique. Le galactose, outre ses capacités énergétiques étudiées cidessus, sert également à la synthèse du lait et à la constitution des glycoprotéines, des glycolipides et 13 des protéoglycanes (dans ces derniers cas le galactose utilisé est synthétisé dans la cellule, il ne provient pas du galactose alimentaire). 1.4 MANNOSE Le mannose est un épimère du glucose sur le carbone 2, il n’est pas phosphorylé au niveau du foie (absence de mannose kinase) et passe dans la circulation ou il sera utilisé par les cellules périphériques grâce à l’hexokinase. CH2OH OH OH O OH OH Mannose 1.4.1 Phosphorylation Le mannose est phosphorylé sur son carbone 6 en mannose 6 P grâce à l’hexokinase. Cette non spécificité de la kinase, permet ainsi au mannose d’être utilisé par le muscle. Hexokinase Mannose Mannose 6 - P ATP ADP Le mannose 6 P est ensuite transformé en fructose 6 P et rejoint ainsi la glycolyse. Mannose 6-P isomérase Mannose 6 P Fructose 6 P 14 II METABOLISME DU GLYCOGENE Le glycogène est formé de chaînes alpha glucosidiques. Il s’agit d’holopolymères de glucose qui, après purification se présente sous forme de grains de diverses dimensions. Onze à dix huit molécules de glucoses sont liées entre elles en 1-4 pour former la partie linéaire de cette molécule (amylose), et en 1-6 au niveau des ramifications (amylopectine). L’amylose est une molécule en hélice de poids moléculaire variant de 600 à 6000 D, l’amylopectine est de poids moléculaire beaucoup plus élevé (10 8 à 10 9 D). Le glycogène est essentiellement présent dans le foie (80 à 100 g) et dans les muscles (200 à 400 g suivant l’importance de la masse musculaire et de l’entraînement). Dans le foie, comme dans les muscles, le glycogène peut être synthétisé (glycogénogenèse) ou dégradé pour redonner du glucose (glycogénolyse). Il s’agit dans un cas comme dans l’autre, de deux voies métaboliques antiparallèles régulées par le statut hormonal du sujet. Les médiateurs intracellulaires sont cependant différents dans le foie (fructose 2-6-diP) et dans le muscle (calmoduline). Le glycogène est la seule source de réserve en hydrates de carbone de l’organisme. Si le glycogène musculaire ne peut être utilisé qu’in situ, du fait de l’impossibilité de redonner du glucose, il n’en est pas de même au niveau du foie qui a la charge de maintenir la glycémie. La synthèse du glycogène (glycogénogenèse) dans ces deux organes dépend en premier lieu de la quantité de glycogène, et en second lieu de l’état hormonal du sujet. Elle ne pourra se réaliser qu’en présence de stocks bas, hépatique (après un jeûne) ou musculaire (après un exercice). L’utilisation du glycogène (glycogénolyse) répond aux mêmes nécessités, soit maintenir la glycémie pour le foie, soit fournir des hydrates de carbone au métabolisme énergétique de la cellule pour le muscle. 2.1. Glycogénogenèse La glycogénogenèse synthétise, à partir du glucose-6-P, du glycogène, source principale des réserves hydrocarbonées de l’organisme. Bien que cette filière soit commune à de nombreux tissus (foie, muscle, rein …), la régulation est différente suivant la cellule concernée. Le glucose provenant de la circulation (muscle) ou de l’alimentation (foie) est dans un premier temps phosphorylé par la glucokinase (foie) ou l’hexokinase (muscle) puis converti en glucose-1-P par la phosphoglucomutase. Phosphoglucomutase Glucose-6-P Glucose-1-P Le glucose-1-P est ensuite combiné à de l’UTP (uridine tri phosphate) pour donner de l’uridine-di-P-glucose (UDPG). Le glucose fixé à l’UDPG peut alors être transféré sur un glucose terminal d’une chaîne d’amylose (formant ainsi une nouvelle liaison 1-4. Cette réaction est catalysée par a glycogène synthétase. La synthèse du glycogène est réalisée par le transfert de fragments comprenant 6 à 7 glucoses, sur des carbones 6. Cette liaison est assurée par la transglycosylase. La régulation de cette chaîne enzymatique est assurée par la glycogène synthétase dont il existe deux formes : a et b. L’activation de la forme a, ou I des anglo-saxons, (forme active) est indépendante du G-6-P alors que la forme b ou D (forme inactive), nécessite la présence de cette molécule pour être active. Le passage de l’une à l’autre de ces formes est sous la dépendance de 15 différentes kinases (protéine kinase AMPc dépendante, glycogène synthétase kinase, caséine kinase, calmoduline kinase) et d’une glycogène phosphatase qui réalise l’étape inverse (déphosphorylation). La forme b, ou forme phosphorylée, est inactive quand les six sites sont phosphorylés. La forme a, déphosphorylée, est active quand au moins trois sites sont libres. Glycogène synthétase Kinase G-6-P +++ ATP ADP Glycogène synthétase a Glycogène synthétase b (active) (inactive) Glycogène synthétase phosphatase Phosphorylation des sites Phosphorylation des sites La glycogénogenèse hépatique se trouve ainsi sous l’effet d’une double régulation : + La présence obligatoire de G-6-P, pour que la glycogène synthétase soit sous sa forme active, n’est effective qu’après un repas riche en sucres. + Le statut métabolique du sujet (insuline élevée, glucagon bas). On notera que l’apport de fructose n’est que très faiblement stimulant puisque il ne donne que relativement peu de G-6-P et que la décharge d’insuline est faible. Après un exercice physique prolongé (stock de glycogène hépatique faible), ou après un jeûne (même état métabolique), l’ingestion de fructose n’est donc pas le meilleur moyen de restaurer les réserves de glycogène hépatique. Au niveau musculaire on retrouve les deux mêmes systèmes, à noter simplement que le taux de G-6-P ne peut être élevé qu’en présence d’insuline, c'est-à-dire lors de la période de récupération. Dans ces deux organes, la glycogène synthétase se trouve freinée par son substrat (le glycogène), donc par la réplétion des cellules. 2.2. Glycogénolyse La glycogénolyse permet la dégradation in situ du glycogène de réserve pour donner du G-1-P, puis du G-6-P. Sa régulation est sous la dépendance des hormones gérant le métabolisme énergétique (insuline, glucagon au niveau hépatique, adrénaline, insuline) et du calcium au niveau musculaire. La glycogénolyse est réalisée par trois types d’enzymes : La phosphorylase chargée de couper les liaisons 1-4, La glucane transférase qui déplace des résidus glucoses des branches latérales sur la branche principale (longueur minimale de 6 résidus) L’enzyme débranchante qui scinde les liaisons 1-6. 16 La régulation de ce système est assurée au niveau de la phosphorylase qui constitue l’étape limitante. Phosphorylase Glycogène (n – 1 glucoses) + G-1-P Glycogène (n glucoses) La phosphorylase peut se trouver sous forme active ou inactive suivant qu’elle est phosphorylée (active) ou déphosphorylée (inactive), (On notera que c’est l’inverse de la glycogène synthétase, qui est active quand elle est déphosphorylée). Cette réaction est catalysée par la phosphorylase kinase qui elle aussi existe sous deux formes, active ou inactive et la protéine phosphatase 1. Glycogène phosphorylase a (active ) Protéine phosphatase 1 Glycogène phosphorylase b (inactive) ADP ATP Phosphorylase kinase a La phosphorylase kinase est elle même activée par une protéine kinase AMPc dépendante (foie et muscle) ou la libération locale de Ca++ (muscle). AMPc +++ Protéine kinase ATP phosphorylase kinase inactive ADP phosphorylase kinase active protéine phosphatase 1 Comme pour la glycogénogenèse, la protéine kinase active est sous la dépendance de l’AMPc et des hormones régulant l’adénylcyclase (catécholamines, insuline, glucagon). La protéine phosphatase 1 est également sous la dépendance de la protéine kinase active, mais elle se trouve inhibée quand cette dernière est activée. 2.3. Régulations Dans le foie et dans le muscle, les deux voies métaboliques (glycogénogenèse et glycogénolyse) ne peuvent être activées en même temps, il s’agit d’un mode de régulation covalent. Quand l’une est activée l’autre est nécessairement à l’arrêt complet, il n’existe pas de cycle futile à ce niveau. A titre d’exemple nous traiterons de la glycogénolyse. 3.1 Glycogénolyse hépatique La glycogénolyse hépatique est activée par les catécholamines circulantes et le glucagon. Elle est inhibée par l’insuline (l’insuline inhibe l’Adénylcyclase active, empêchant la production d’AMPc). 17 Adrénaline Membrane +++ Adénylcyclase inactive Adénylcyclase active ++++ ATP AMPc ++++ Protéine kinase AMPc dépend. i +++ Phosphorylase inactive (Déphosphorylée) Protéine kinase AMPc dépend. A +++ Phosphorylase active (Phosphorylée) Glycogène Synthétase a (Déphosphorylée) Activation de la Glycogénolyse Glycogène Synthétase b (Phosphorylée) Diminution de la Glycogénogenèse 2.3.2 Glycogénolyse musculaire La glycogénolyse musculaire est mise en route par le système à calmoduline, stimulé par la libération du calcium cisternal lors des premières contractions musculaires, mais aussi par l’augmentation des catécholamines plasmatiques. Elle est inhibée par l’insuline. Elle est insensible aux variations du glucagon du fait de l’absence de récepteurs) Glycogène Contraction Insuline ++ Musculaire ++ Catéholamines ++ G-6-P 18 2.3.2.1 Système Ca++ Acte moteur volontaire Stimulation des motoneurones Libération de Ca++ Contraction musculaire ATP G-6-P Protéine kinase ++++ Calmoduline dépendante inactive Protéine kinase Calmoduline dépendante active ++++ Phosphorylase inactive Phosphorylase active Activation de la Glycogénolyse Glycogène Synthétase a Glycogène Synthétase b Diminution de la Glycogénogenèse Lors de l’exercice physique, la vitesse de la glycogénolyse peut être multipliée plusieurs centaines de fois. La libération locale de Ca++ des citernes cytoplasmiques induit l’activation de la phosphorylase kinase et, par voie de conséquence, la stimulation de la phosphorylase (voir schéma cidessus). Cette activation se fait sous l’action de la calmoduline (molécule ayant la même structure que la fraction bêta de la phosphorylase kinase). La libération de calcium issu des citernes cytoplasmiques lors de la contraction musculaire active la phosphorylase kinase par le biais de la calmoduline (constituant de cette enzyme). Cette activation permet d’accélérer le processus de dégradation du glycogène en favorisant la transformation de la glycogène phosphorylase de sa forme inactive en forme active. Au repos, 13 à 15 % de cette enzyme se trouve sous forme active, après seulement 5 secondes de stimulation cette valeur peut dépasser 50 % de forme active. Dès les premières contractions musculaires, la glycogénolyse est spontanément activée, avant même que les catécholamines ne modifient leur concentration locale. La glycogénolyse musculaire se trouve donc toujours être « en avance » sur la glycogénolyse hépatique. L’activation de la dégradation du glycogène se trouve également potentialisée par la baisse locale d’ATP et de G-6-P tandis que l’AMP augmente (activation de la phosphorylase b). 19 2.3.2.2 Chronologie de la mise en route de la glycogénolyse musculaire 1. Stimulation nerveuse et libération de calcium (système calmoduline). 2. Diminution du rapport ATP/AMP et du G-6-P (activation allostérique). 3. Augmentation des catécholamines circulantes (système AMPc). 2.4. Métabolisme du glycogène 2.4.1. Métabolisme du glycogène au repos A distance d’un repas Le glycogène hépatique est dégradé en glucose pour maintenir la glycémie. La diminution de la glycémie (hypoglycémie), provoque une augmentation du glucagon plasmatique qui active la glycogénolyse. Du fait de la régulation covalente, la glycogénogenèse est stoppée. La cellule musculaire ne disposant pas de récepteur à glucagon est insensible à ce type de régulation, le muscle étant au repos, la glycogénolyse n’est pas activée. Après un repas L’absorption des hydrates de carbone, provoque une hyperglycémie transitoire qui a pour effet d’augmenter la sécrétion d’insuline et de freiner celle du glucagon. Au niveau hépatique L’hyperinsulinisme stimule la glycogénogenèse hépatique, tandis que la glycogénolyse est stoppée. Les réserves de glycogène sont en cours de reconstitution. Veine porte Foie Circulation Pancréas Glycogène GK Glucose G-6-P Glucose Glucose Insuline Les stocks de glycogène peuvent être modulés par la richesse relative de l’alimentation en hydrates de carbone. Une nourriture riche en glucose permet la constitution d’un stock important de glycogène (150 à 200 g/kg de tissu hépatique). Une seule journée de régime sans sucre suffit à faire chuter la quantité de glycogène hépatique à 10 g/kg de tissu hépatique. 20 Au niveau musculaire Au niveau musculaire, l’augmentation de l’insulinémie stimule la pénétration du glucose dans les cellules, et active la glycogénogenèse. Cependant, ce mécanisme n’est effectif que si les réserves de glycogène musculaire sont basses. Veine porte Foie Glycogène Circulation Pancréas Muscle Glycogène Insuline GK Glucose HK - - G-6-P Glucose Glucose G-6-P Pénétration dans la cellule Les réserves en glycogène peuvent être reconstituées, mais elles ne pourront pas « dépasser » le taux de remplissage moyen du muscle du fait d’une rétro-inhibition. Pour que ce mécanisme puisse dépasser les concentrations initiales en glycogène (surcompensation), il faut nécessairement que le muscle ait été « vidé » d’une partie de son glycogène de réserve (exercice physique). 2.4.2 Métabolisme du glycogène pendant l’exercice physique Pendant la pratique d’un exercice physique, la glycogénogenèse musculaire et hépatique sont inhibées, tandis que la glycogénolyse est activée par les catécholamines. Il est important de noter que les catécholamines sont inhibitrices de la sécrétion d’insuline pancréatique +++ Catécholamines Glycogène Insuline - - - +++ Glycogénolyse Glycogénogenèse G-6-P Du fait de l’absence de G-6-P phosphatase, le glycogène musculaire, contrairement à celui stocké dans le foie, ne peut être utilisé « qu’in situ ». Pendant l’exercice, la consommation de glycogène ne concernera donc que les muscles actifs. Les autres groupes musculaires moins ou peu stimulés, conserveront leurs réserves glycogéniques sans pouvoir venir en aide à ceux qui ont épuisé leurs stocks. 21 Exercice musculaire Catécholamines Veine porte Foie Pancréas Glycogène Glycogène +++ Insuline GK Glucose Muscle ++ HK - - - G-6-P --Glycolyse Glucose Glucose Pénétration dans la cellule sans insuline G-6-P ++ Glycolyse Ainsi pendant un exercice prolongé de course, seulement 55 à 60 % (500 à 550 g) du stock glycogénique musculaire total (800 à 900 g) est utilisé. Ce chiffre tombe à 35-40 % pour les exercices comme le cyclisme qui ne fait intervenir qu’un nombre limité de muscles. Tout effort tend à diminuer les réserves de glycogène musculaire (Nle 80 à 130 mmol/kg). Cependant, la vitesse de dégradation dépend de très nombreux paramètres dont les plus importants sont l’intensité de l’exercice, le niveau d’entraînement du sportif, la durée de l’effort et le type d’alimentation utilisée par le sujet 22 III GLYCOLYSE La glycolyse est une chaîne enzymatique qui permet la dégradation du Glucose-6-P en pyruvate. Elle est présente dans le cytoplasme de toutes les cellules de l’organisme, y compris les érythrocytes. Elle permet, même en l’absence d’oxygène, la synthèse de deux ATP, d’où son appellation de « voie anaérobie ». Il est habituel de donner pour origine à cette chaîne le G-6-P, c’est-à-dire le glucose déjà phosphorylé par l’hexokinase ou la glucokinase, ou provenant de la dégradation du glycogène. 3.1. Chaîne glycolytique La première réaction consiste à isomériser le G-6-P en F-6-P. Cette transformation facilitera la scission hydrolytique de la troisième réaction. 3.1.1 Isomérisation du glucose-6-P en fructose-6-P Isomérase Glucose-6-P Fructose-6-P Il s’agit d’une réaction réversible qui marche dans le sens « Glucose niveau musculaire, mais peut s’inverser dans le foie, lors de la néoglucogenèse. Fructose » au 3.1.2 Phosphorylation La phosphofructokinase 1 permet la fixation d’une liaison phosphate riche en énergie sur le carbone 1 du Fructose. La phosphofructokinase 1 est une enzyme allostérique ubiquitaire (retrouvée dans toutes les cellules de l’organisme) responsable de la fixation d’un phosphate riche en énergie sur le Fructose 6 phosphate (F 6 P). Il s’agit d’une kinase irréversible. Phosphofructokinase 1 Fructose 1-6 diP Mg++ Fructose-6-P ATP ADP C’est l’enzyme clé de la glycolyse. Comme telle, elle est soumise à de très nombreuses régulations, hormones du métabolisme énergétique (glucagon, catécholamines, insuline ...), produits de la glycolyse (citrate, ATP, H+, 2-3 DPG). Ces régulations sont différentes suivant le type de cellule concernée. Foie : Glucagon, catécholamines, insuline, citrate Muscle : Catécholamines, insuline, ATP, H+, citrate Erythrocyte : H+, 2-3 DPG La vitesse catalytique de la PFK1, en dehors de toute stimulation, n’est que de quelques pour cent de sa vitesse maximale théorique. Au niveau hépatique Au niveau hépatique la PFK 1 est essentiellement régulée par un système covalent, et à un moindre niveau par le système allostérique. 23 * Régulation covalente La PFK1 est activée par le Fructose 2-6 P via l’AMPc. Cette régulation est sous la dépendance du glucagon, des catécholamines et de l’insuline. L’augmentation de la concentration d’AMPc, inhibe la PFK2 Le F-2-6 P est obtenu grâce à l’action de la PFK2 qui fixe une liaison riche en énergie sur le carbone 2 du F-6-P. Catécholamine Glucagon +++ AMP Cyclase ATP F-6-P AMPc --PFK2 F-2-6-P PFK1 F-6-P F-1-6-P Les catécholamines et le glucagon freinent la glycolyse hépatique Insuline --AMP Cyclase ATP AMPc F-6-P +++ PFK2 F-2-6-P +++ PFK1 F-6-P F-1-6-P L’insuline est un activateur de la glycolyse hépatique Toute augmentation de l’AMPc freine la synthèse de fructose 2-6 di P, via l’inhibition de la PFK2, donc la vitesse de la glycolyse (c’est le cas pour les catécholamines et le glucagon). Inversement, l’insuline, en diminuant le taux d’AMPc intracytoplasmique, accélère la vitesse de la glycolyse hépatique. * Régulation allostérique Elle joue un rôle moins important au niveau hépatique que la régulation covalente. La PFK 1 est activée par le fructose 6 P, les phosphates inorganique, l’alcalose (NH4). Elle est inhibée par le citrate, l’ATP et l’acidose (ces deux derniers effecteurs sont peu modifiés au niveau hépatique). * Régulation de synthèse L’insuline est responsable d’une induction de synthèse de cette enzyme. 24 Au niveau musculaire * Régulation covalente Il n’existe pas de régulation covalente de la glycolyse musculaire. En effet dans ces cellules il n’existe pas de voie inverse (néoglucogenèse). * Régulation allostérique La PFK 1 présente une sensibilité très importante au rapport ATP/AMP et au pH local, c’està-dire aux niveaux énergétique et acide. Les régulateurs allostériques sont identiques à ceux de la cellule hépatique. L’augmentation de l’AMP ou du NADH2 accélère son activité. La PFK1 également régulés par d’autres produits métaboliques du cycle de Krebs et de la chaîne respiratoire. Elle est inhibée par l’augmentation du citrate, de l’ATP et des ions H+ (acidose). L’inhibition de la PFK 1 provoque une accumulation de fructose 6 P et de glucose 6 P qui freine l’hexokinase. Régulation allostérique de la PFK1 --HK G–6–P G F–6–P--PFK1 F–1–6P Pyruvate (H+) Cycle de Krebs Citrate ATP * Régulation de synthèse Comme au niveau hépatique la sécrétion répétée d’insuline induit une synthèse de PFK 1. 3.1.3 Scission aldolasique du fructose L’aldolase A est une enzyme ubiquitaire qui permet la scission du fructose 1-6 di P en deux trioses phosphate, le 3 phosphoglycéraldéhyde et le Phospho di hydroxyacétone. Il s’agit d’une enzyme réversible qui participe dans un sens à la glycolyse et dans l’autre sens à la néoglucogenèse. Aldolase A Fructose 1-6 di P P di OH acétone + 3 PGA Mg++ 25 La présence de Magnésium est indispensable à l’activité de cette enzyme. 3.1.4 Isomérisation du P di hydroxyacétone en 3 PGA Cette réaction réversible permet le passage du 3PGA au Phospho Di Hydroxyacétone et inversement. Triose phosphate isomérase P di hydroxyacétone 3 P glycéraldéhyde Il s’agit d’un carrefour métabolique essentiel entre : La glycolyse (utilisation du 3PGA), La voie de synthèse des triglycérides (P di hydroxyacétone), La partie réversible de la voie des pentoses (3PGA) 3.1.5 Déshydrogénation du 3PGA Cette réaction réversible permet l’incorporation d’un phosphate inorganique au 3 PGA en position 1. Glycéraldéhyde 3P déshydrogénase 3 PGA 1-3 di phosphoglycérate Pi NAD NADH2 La contrainte stéréochimique provoquée par la déshydrogénation de la molécule permet la création d’une liaison riche en énergie libérée au niveau du carbone 1. C’est la seule réaction de «création» d’énergie de la glycolyse à partir d’une molécule de substrat. A noter qu’au plan chimique, le départ des 2 protons a changé l’aldéhyde en acide. 3.1.6 Transfert d’un groupement P riche en énergie La Phosphoglycérate kinase transforme l’Acide 1-3 di P Glycérique (ou glycérate) en Acide 3 phosphoglycérique (3 Phosphoglycérate). Elle permet la récupération d’une liaison riche en énergie (formation d’un ATP) Il s’agit d’une kinase réversible. Au niveau musculaire, cette réaction, bien que réversible, ne fonctionne que dans un sens, celui de la récupération du phosphate riche en énergie formé par la réaction précédente sur le premier carbone. Au niveau hépatique, cette réaction peut, du fait d’un delta G°’ faible, fonctionner dans les deux sens suivant qu’il s’agit de la glycolyse ou de la néoglucogenèse. 26 Phosphoglycérate kinase 1-3 di P glycérate 3 Phosphoglycérate ADP ATP La vitesse de cette réaction est régulée par le rapport ATP/ADP dans le cytoplasme de la cellule. 1.3.7 Isomérisation du P en 2 Il s’agit d’une réaction réversible qui transfert le phosphate riche en énergie situé sur le carbone 3 en 2. Phosphoglycérate mutase 3 Phosphoglycérate 2 Phosphoglycérate Le positionnement du Phosphate en 2, permet de faciliter la récupération ultérieure de la liaison riche en énergie. 1.3.8 Création d’une fonction énole La déshydratation réversible de la molécule (départ d’une molécule d’eau) provoque la création d’une double liaison (radical énole). Enolase 2 Phosphoglycérate Phospho-énol pyruvate + H20 Ces deux dernières réactions sont simultanées, il s’agit d’une tautomérie céto-énolique. 1.3.9 Transfert du groupement phosphate sur un ADP La dernière réaction de la glycolyse consiste à « récupérer » la dernière liaison riche en énergie. Cette opération est réalisée avec une enzyme irréversible, la Pyruvate kinase. Pyruvate kinase P.E.P. ADP Acide pyruvique CH3-CO-COOH ATP Cette enzyme irréversible présente une structure différente dans le foie où elle est polymérique et donc modulable par allostérie, et dans le muscle où elle est monomérique et de ce fait non régulable. Dans la cellule hépatique la PK est fortement activée par le F-1-6 di P. 3.2. Bilan de la glycolyse Chaque molécule de glucose étant scindée en deux trioses, le bilan de la glycolyse doit être multiplié par deux : 27 Pour une molécule de glucose transformée en Pyruvate le bilan est de : - 2 ATP - 2 Pyruvate - 2 NADH2 Soit pour 2876 kJ (valeur d’une mol de glucose brûlée dans une bombe calorifuge) : + 60 kJ sous forme d’ATP, + 1312 kJ par mol d’acide lactique (soit 2625 kJ) + 190 kJ perdus sous forme de chaleur. Le bilan atépéasique est donc extrêmement faible (60 kJ/2876 kJ = 2%). La perte calorique constitue quant à elle une quantité non négligeable: 7% La majorité de l’énergie initiale est donc contenus dans l’acide pyruvique (91%) qui pourra entrer dans le cycle de Krebs ou donner de l’acide lactique. 3.3. Régulation de la glycolyse La régulation de la chaîne glycolytique est différente suivant le type de cellule considérée. Elle est réalisée à trois niveaux, la régulation covalente au niveau du foie, un contrôle allostérique et la régulation de synthèse des enzymes clés dans l’ensemble des cellules. 3.3.1 Glycolyse hépatique * Régulation covalente = PFK 1 La glycolyse hépatique présente la particularité de pouvoir être pratiquement stoppée sous l’effet du glucagon et des catécholamines pour permettre la voie inverse, c’est-à-dire la néoglucogenèse. Cette régulation particulière porte sur la PFK 1 dont le principal activateur est le Fructose 2-6 di phosphate (le taux est régulé par l’AMPc et une protéine). La synthèse du F 2-6 P est réalisée à partir de F 6 P par la phosphofructokinase 2 (PFK 2) PFK2 Fructose 6 P ATP Fructose 2-6 P ADP Régulateur : AMPc (l’augmentation de l’AMPc cytosolique freine la réaction) Le fructose 2-6 di phosphate est un régulateur essentiel du métabolisme hépatique. Dans cette cellule, il est activateur de la PFK 1, et inhibiteur de la fructose 1-6 di phosphatase. Il contrôle ainsi l’équilibre entre la glycolyse et la néoglucogenèse hépatique. La production et/ou la dégradation du F 2-6 P est sous le contrôle d’une protéine kinase régulée par l’AMP cyclique. A ce niveau l’adénylcyclase est stimulée par le glucagon mais inhibée par l’insuline (les alpha adrénergiques et la vasopressine ne présentent aucun effet sur ce système). 28 L’augmentation de l’AMP c dans la cellule hépatique provoque une inhibition de la PFK 2 et une activation de la FdiPase 2, donc une diminution du F 2-6 di P. Le rapport d’activités PKF 2/ FdiPase 2 qui est de 1 se trouve multiplié par 2 (valeur intermédiaire montrant le caractère bidirectionnel de cette régulation). Glucagon ++++ AMP c +++ Protéine kinase F6P ----- F6P ++++ PFK 2 F di P ase F26P ++++ F26P Toute augmentation de l’AMPc conduit à une diminution de la concentration locale en Fructose 2-6 di P, et freine ainsi la PFK 1. Le glucagon et l’adrénaline jouent par cet intermédiaire des rôles essentiels de freinateurs. Un effet inverse peut être observé avec l’insuline. Lors de l’exercice musculaire, l’augmentation considérable des catécholamines, couplée à la diminution de l’insulinémie, provoque une inhibition totale de la glycolyse hépatique. = PK La PK hépatique existe sous deux formes phosphorylée (inactive) et non phosphorylée (active). La stimulation de la protéine kinase par l’adrénaline et/ou le glucagon provoque une diminution de la PK active et freine ainsi la dernière réaction de la glycolyse. Glucagon Catécholamines Insuline Protéine kinase inactive ++++ --- Protéine kinase active ++++ PK Active Non phosphorylée PEP PK Inactive phosphorylée Pyruvate Pendant l’exercice physique la PK hépatique est donc totalement inhibée. * Régulations allostériques = PFK 1 La PFK hépatique, comme la PFK musculaire, est sensible aux variations du citrate, des protons et de la concentration en ATP local. Les variations de concentrations de ces métabolites étant 29 relativement modestes au niveau hépatique pendant l’exercice physique, la régulation allostérique joue un rôle moindre, comparée à la régulation covalente. = PK Outre la PFK 1, la glycolyse hépatique et également régulée au niveau de la pyruvate kinase (de type L) par le fructose 1-6 di P et le PEP (phospho énol-pyruvate) qui jouent un rôle d’activateur, et inhibée par l’ATP et l’alanine. Lors de l’exercice physique, les fortes concentrations d’alanine et la diminution de la concentration cytosolique en F-1-6 di P freinent l’activité de la PK G-6-P Régulations allostériques de la glycolyse hépatique F-6-P --PFK1 F-1-6 di P PEP +++ +++ Pyruvate kinase --- ATP Alanine Acide pyruvique Acétyl CoA Citrates Acides gras * Régulation de synthèse La PFK 1 et la PK font également l’objet d’une régulation de synthèse. La transcription de leurs gènes est stimulée par l’insuline et les régimes riches en glucides. Cette induction de synthèse commence à être effective après deux heures. 3.2 Glycolyse musculaire La régulation glycolytique musculaire est essentiellement réalisée au niveau de la phosphofructokinase, (réaction la plus lente de la chaîne), et plus modestement par la 3 PGA déshydrogénase et la phosphoglycérate kinase. = PFK 1 La vitesse d’hydrolyse de la PFK 1 musculaire est régie uniquement par le système allostérique. Les principaux activateurs sont : * un rapport ATP/ADP bas, ou AMP élevé Les principaux inhibiteurs sont : * le citrate * un taux élevé de créatine phosphate * une concentration élevée de protons (acidose cellulaire) * un rapport ATP/ADP élevé. 30 Au début de l’exercice, la baisse de l’ATP active la PFK1. Si l’exercice se prolonge et que la concentration de pyruvate de vient suffisamment importante pour provoquer une baisse du pH la PFK1 est alors freinée. = 3 PGA La 3 PGA déshydrogénase, bien que réversible, se trouve régulée par la concentration locale du NAD. La diminution de ce coenzyme limite la vitesse de la réaction. Le rapport NAD/NADH2 cytosolique est un puissant régulateur de la glycolyse. = Phosphoglycérate kinase La vitesse de la phosphoglycérate kinase est fonction du rapport ATP/ADP, toute diminution de ce rapport accélère la vitesse de la réaction. = PK La Pyruvate kinase (PK) de type musculaire (M) est une enzyme monomérique non régulée de manière covalente. La PK (M) n’est pas sensible à l’effet activateur du fructose 1-6 di P. Une inhibition de cette enzyme, productrice d’énergie et de pyruvate serait un handicap pour les cellules musculaires contrairement aux cellules hépatiques où cette régulation est indispensable au bon fonctionnement de la néoglucogenèse. Toute diminution du rapport ATP/ADP augmente la vitesse de cette enzyme. Début de l’exercice musculaire G-6-P Augmentation de l’intensité de l’exercice F-6-P G-6-P F-6-P PFK 1 ++++ PFK 1 --F1-6 di P F-1-6-diP NAD 3PGA 3PG Déshydrogénase NADH2 3P Glycérate kinase Ac. 1-3 PG +++ Ac. 3 PG PEP ++++ Pyruvate kinase Ac. Pyruvique ATP Diminution de la concentration d’ATP H+ Acide pyruvique Acidose cellulaire 31 La cellule musculaire ne disposant pas de système tampon très efficace, l’augmentation de la concentration d’acide pyruvique provoque une baisse importante du pH (pouvant être inférieure à 6). La freination de la PFK1 dans ces conditions apparaît comme un moyen de sauvegarde de la cellule en activité. 3.3.3 Glycolyse érythrocytaire La glycolyse érythrocytaire présente la particularité de ne pas être suivie par un cycle tricarboxylique et de posséder une dérivation du 1-3 P glycérate vers le 2-3 P glycérate (voir 2-3 DPG) L’hématie ne possédant plus de noyau, il n’existe pas de possibilité de régulation de synthèse. = PFK 1 La PFK1 est l’enzyme clé de la glycolyse érythrocytaire. Elle est activée par l’augmentation de la concentration en AMP et l’alcalose et inhibée par la concentration locale en proton et en 2-3 DPG. Les concentrations en créatine phosphate en citrate de l’érythrocyte étant pratiquement nulles (pas de cycle de Krebs) ces deux métabolites ne jouent pas de fonction régulatrice. = 3 PGA La 3 P glycérate kinase est régulée d’une façon originale. Si le taux de 2-3 DPG vient à baisser, le shunt se réalise au profit du 2-3 DPG, court-circuitant ainsi la formation d’un ATP. Si au contraire le besoin énergétique est important (rapport ATP/ADP bas), la 3 P glycérate kinase sera stimulée. = PK Elle est freinée par le 2-3 DPG. Lors de la montée rapide en altitude (sports d'hiver) l’alcalose respiratoire provoque une activation de la PFK 1 et une augmentation de la synthèse du 2-3 DPG. Fructose 6P Diminution de a PaO2 polypnée ( de l’oxygène dissout) Alcalose respiratoire PFK1 +++ F 1 6 di P Fixation du 2 3 DPG sur l’hémoglobine -- 1-3 DPG ADP 3P Glycérate kinase ATP 3 PG ADP Isomérase 2-3 DPG Phosphatase Diminution de l’affinité l’oxygène --PK ATP Pyruvate 32 La diminution de la pression partielle en oxygène due à l’altitude entraîne une baisse de la pression partielle alvéolaire et de la PaO2 (fraction dissoute de l’oxygène). Parallèlement l’affinité de l’hémoglobine permet de maintenir un taux de saturation en oxygène strictement normal. La baisse de l’oxygène dissout stimule les centres respiratoires et accélère la ventilation. L’élimination massive de CO2 par le poumon crée rapidement une alcalose qui accélère, via la PFK1, la glycolyse et sa voie de dérivation la 1-3 DPG isomérase. 33 IV METABOLISME DE L’ACIDE PYRUVIQUE L’acide pyruvique est un carrefour métabolique situé entre le métabolisme glucidique et celui des acides aminés. Dans l’organisme humain il ne peut avoir pour origine un acide gras, interdisant ainsi la synthèse de glucides à par des graisses. 4.1 Formule CH3-CO-COOH L’absence de phosphate riche en énergie dans sa formule permet à ce métabolite un franchissement aisé des membranes. Sa concentration plasmatique reste néanmoins très faible du fait de son utilisation immédiate dans la cellule. 4.2 Métabolisme L’acide pyruvique est synthétisé par toutes les cellules de l’organisme à partir de la glycolyse, sa valeur énergétique est de 15 ATP. Dans certaines cellules (hépatiques, cardiaques, rénales ...) le pyruvate peut avoir pour origine l’oxydation de l’acide lactique. Enfin, au niveau du muscle, du foie et du rein, six acides aminés sont susceptibles de donner du pyruvate (l’alanine, la cystéine, la glycine, la sérine, la thréonine et l’hydroxyproline). L’utilisation du pyruvate peut se faire par décarboxylation en acétyl CoA dans toutes les cellules présentant des mitochondries, par carboxylation en oxaloacétate au niveau du foie et du rein, du muscle et du cœur, ou par transformation en acide lactique dans l’ensemble des cellules (principalement dans les cellules musculaires, adipeuses érythrocytaires). Glucose Lactate Pyruvate OA Alanine Acétyl CoA Dans toutes les cellules le pyruvate franchit les membranes cellulaires de façon passive. Au niveau de la mitochondrie hépatique la forme non ionisée traverse la membrane mitochondriale de façon passive, la forme ionisée utilise un transporteur membranaire couplé au passage des corps cétoniques (pénétration du pyruvate -- libération de corps cétoniques). Il est important de noter que le temps de diffusion des molécules vers les mitochondries est un facteur limitant lors des exercices musculaires intenses. 4.2.1 Produit ultime de la glycolyse La Pyruvate kinase est une enzyme irréversible nécessitant la présence de Mg++. Elle permet la formation d’un ATP à partir du phosphate «riche en énergie» fixé sur le carbone 2 du phosphoénolpyruvate (PEP). Cette réaction cytoplasmique est présente dans toutes les cellules y compris les érythrocytes. 34 Au niveau hépatique elle est régulée de façon allostérique par la concentration locale en fructose 1-6 P, qui est un puissant activateur de la réaction, et de façon covalente par le glucagon et l’insuline. Au niveau musculaire cette enzyme n’est pas régulée de façon allostérique (monomérique) mais par le flux de PEP issu de la glycolyse, c’est-à-dire par la vitesse de la PFK 1 et par le rapport ATP/ADP. Pyruvate kinase Phosphoénolpyruvate Pyruvate ADP ATP La Pyruvate kinase est l’objet d’une régulation de synthèse par l’insuline comme la PFK 1. Au niveau musculaire Dès le début de l’exercice physique la vitesse de cette réaction augmente très rapidement du fait de la baisse du rapport ATP/ADP (accélération de la PFK 1 et du flux de PEP). Lors de la pratique d’exercices épuisants générateurs d’acidose, sa vitesse se trouve limitée du fait de la freination de la PFK 1 par l’acidose. G PEP PK Lactate Pyruvate Voie anaérobie lactique Acétyl CoA Cycle de Krebs Voie aérobie Les cellules de type I (lentes) très richement pourvues en mitochondries privilégieront la voie dite « aérobie » Les cellules de type II (rapides), utiliseront plus facilement la voie de l’acide lactique, dite « voie anaérobie lactique ». Au niveau hépatique a) Après un repas : L’apport important d’hydrates de carbones accélère la glycolyse hépatique. La formation de pyruvate est alors très importante et apparaît comme le passage obligatoire pour la synthèse des acides gras hépatiques Glucose Fructose AG TG Circulation Pyruvate déshydrogénase Pyruvate Acétyl CoA 35 b) Lors d’un exercice physique la PK hépatique est l’objet d’une double inhibition La freination de la PFK1 par l’acidose métabolique (acide lactique provenant des muscles) et la baisse du taux d’insuline plasmatique, tendent à diminuer la concentration de son produit le F 1-6 P. La baisse de cet activateur est suffisante pour pratiquement arrêter la réaction. L’augmentation des catécholamines plasmatiques est à l’origine d’une stimulation de la protéine kinase et d’une phosphorylation inhibitrice de la pyruvate kinase. Cette double inhibition est responsable d’un arrêt de la glycolyse et d’une épargne du glycogène hépatique. Le pyruvate présent dans le foie provient alors, soit du lactate (cycle de Cori), soit de l’alanine libérée en grande quantité par les muscles actifs. Le pyruvate devient dans ces conditions un intermédiaire essentiel de la néoglucogenèse. G-6-P Catécholamines --Insuline F-6-P --PFK1 F-1-6-diP PEP ++ --Pyruvate kinase Néoglucogenèse 4.2.2 Pyruvate Acide lactique Provenant des muscles Producteur d’Acétyl CoA La pyruvate déshydrogénase est une enzyme ubiquitaire, présente dans toutes les cellules possédant des mitochondries. Il s’agit d’une décarboxylation oxydative qui transforme le pyruvate en Acétyl CoA. Elle est irréversible (c’est d’ailleurs pour cette raison qu’il est impossible de synthétiser des glucides à partir des acides gras). HS-CoA Vitamine B1 Pyruvate Acétyl CoA + CO2 NAD NADH2 = Métabolisme hépatique Au niveau du foie, la décarboxylation du pyruvate en Acétyl CoA constitue la première étape de la lipogenèse. Ce mécanisme est mis en route lors de l’ingestion itérative de glucides. Les décharges d’insuline stimulent la l’Acétyl CoA Carboxylase, enzyme clé de la lipogenèse, activée par l’insuline. 36 Glucose Insuline Glucagon +++ --Pyruvate Acétyl CoA Déshydrogénase Carboxylase Pyruvate Acétyl CoA Malonyl CoA Acides Gras Contrairement à un certain nombre d’idées reçues, et malheureusement toujours enseignées, cette voie métabolique n’est pas accessoire chez l’homme. Elle est à l’origine des hyper- triglycéridémies et des obésités aux hydrates de carbone. = Métabolisme musculaire Lors des exercices pratiqués en aérobie, les catécholamines activent la Triglycéride lipase intra adipocytaire. Les acides gras libérés sont alors captés par les muscles en activité et soumis à la bêta oxydation. Les Acétyl CoA formés inhibent la Pyruvate déshydrogénase (freinée par son produit), épargnant ainsi le pyruvate et par voie de conséquence le glucose et le glycogène musculaire. Glucose Pyruvate Acides gras NAD Pyruvate déshydrogénase --NADH2 Bêta oxydation Acétyl CoA Compte tenu du pouvoir énergétique important des acides gras, il est toujours intéressant programmer des entraînements susceptibles d’améliorer l’utilisation des lipides. Ce résultat est obtenu en augmentant la VO2Max du sportif. Quand les capacités maximales de la chaîne respiratoire sont atteintes, l’augmentation locale des Acétyl CoA et l’augmentation du rapport NADH2/NAD, freinent l’activité de la Pyruvate déshydrogénase. Le pyruvate est alors métabolisé en acide lactique. 4.2.3 Producteur d’oxaloacétate La Pyruvate carboxykinase, ou Pyruvate carboxylase est une enzyme irréversible, mitochondriale, chargée de former de l’oxaloacétate à partir du pyruvate. Cette réaction relativement complexe requiert de l’énergie, du bicarbonate et une vitamine, la Biotine. Le CO2 fixé sur le groupement méthyle de l’acide pyruvique provient de la carboxybiotine formée à partir d’un CO2 et d’une molécule de biotine (vitamine B 8). Cette réaction hydrolyse une molécule d’ATP 37 Pyruvate carboxylase CO2 + Biotine Carboxybiotine ATP ADP Soit de façon schématique Pyruvate carboxylase Pyruvate Biotine - CO2 ATP Oxaloacétate Biotine ADP 4.2.3.1 Dans le foie La Pyruvate carboxykinase, ou Pyruvate carboxylase hépatique, est une enzyme chargée de contourner la première étape irréversible de la néoglucogenèse (aucune autre enzyme n’étant capable de redonner du PEP à partir du pyruvate, la cellule hépatique se trouve dans l’obligation de former de l’oxaloacétate pour contourner cette difficulté et initier la néoglucogenèse). Lactate Pyruvate Alanine Pyruvate carboxykinase Néoglucogenèse Malate Oxaloacétate Mitochondrie 4.2.3.2 Dans le muscle Cette enzyme, dont la présence a été longtemps controversée dans le muscle, semble jouer un rôle régulateur important lors de l’activité physique prolongée en fournissant au cycle tricarboxylique de l’oxaloacétate destiné à la formation d’acide citrique. Pyruvate AG Pyruvate carboxykinase Citrate synthétase Oxaloacétate + Acétyl CoA Citrate Cette réaction donne d’autre part toute sa valeur à la maxime célèbre : « Les lipides brûlent au feu des hydrates de carbone ». Régulation de la pyruvate carboxylase Il s’agit d’une enzyme allostérique activée par l’Acétyl CoA. Un apport suffisant en acétyl CoA d’origine lipidique permet : d’une part, de freiner la Pyruvate déshydrogénase, et d’autre part de stimuler cette enzyme pour orienter le métabolisme du pyruvate vers l’oxaloacétate. 38 Dans le foie, cette enzyme joue un rôle clé lors du jeûne. L’arrivée massive d’alanine, provenant du catabolisme musculaire, et d’acides gras originaires des adipocytes, engendrent une forte stimulation de la pyruvate carboxylase (ou carboxykinase), première étape de la néoglucogenèse. Elle est activée par le cortisol. Jeûne Catabolisme musculaire +++ Alanine Lipolyse +++ Alanine Cortisol AG Pyruvate Béta oxydation +++ PD - PC ++ Acétyl CoA Corps cétoniques OA Néoglucogenèse FOIE Le pyruvate est carboxylée en oxaloacétate, première étape de la néoglucogenèse Dans le muscle Dans le muscle en exercice, la pyruvate carboxylase se trouve stimulée par l’apport massif des acétyl CoA originaires de la lipolyse. Une partie du pyruvate se trouve ainsi transformée en oxaloacétate, première molécule impliquée dans le cycle de Krebs. Exercice musculaire Glycogénolyse G-6-P Ac. aminés Lipolyse AG Pyruvate PD - PC ++ Acétyl CoA OA Malate + + Citrate synthase Citrate Succinate alpha-cétoglutarate ATP + CO2 39 NB : L’oxaloacétate formé dans ces conditions ne joue qu’un rôle de transporteur pour l’oxydation de l’acétyl CoA. A la fin de chaque tour de cycle l’oxaloacétate se retrouve en même quantité. Il n’est donc pas consommé dans le cycle de Krebs. C’est pour cette raison que l’on peut parler d’épargne glucidique Cette réaction permet : + De maintenir à un taux élevé la concentration mitochondriale en oxaloacétate + D’utiliser au mieux les acétyl CoA issus de la dégradation des triglycérides + D’épargner le pyruvate comme substrat énergétique + Peut être d’expliquer les crampes et les phénomènes de fatigue musculaire lorsque le glycogène musculaire se trouve épuisé. 4.2.4 Réduction en acide lactique 4.2.4.1 Actions de la LDH La LDH ou lacticodéshydrogénase est une enzyme allostérique qui catalyse l’hydrogénation du pyruvate en lactate ou l’inverse. LDH Pyruvate NADH2 CH3 – CO – COOH NADH2 Lactate NAD CH3 – CHOH – COOH NAD Le lactate n’est ni un toxique ni un déchet (17 ATP), mais un moyen génial de contourner un problème local (acidose musculaire) en mettant en jeu le foie (régénération de glucose par la néoglucogenèse). Cette enzyme réversible est présente dans la totalité des cellules de l’organisme. Le sens de fonctionnement de la réaction dépend du type d’isoenzyme présent dans la cellule et des rapports pyruvate/lactate et NADH2/NAD. Muscle Erythrocyte Cœur Foie Rein Pyruvate « Lactate « « -------------- > -------------- > -------------- > -------------- > -------------- > Lactate « Pyruvate « « Le muscle et l’érythrocyte sont les principaux producteurs de lactate. Au repos la concentration de lactate sanguin est inférieure à 1,7 mmol/l (il s’agit du lactate produit par les érythrocytes). Lors de l’exercice musculaire cette valeur peut être multipliée par 6. Le foie, le cœur et le rein sont des utilisateurs de lactate. 40 Le foie et le rein captent du lactate pour le métaboliser en glucose (Néoglucogenèse), tandis que le cœur utilise directement l’acide lactique pour son métabolisme. L’électrophorèse permet de dissocier 5 isoenzymes formés à partir des monomères H (cardiaque) ou M (musculaire) H4, H3M, H2M2, HM3 et M4. Il s’agit de quatre chaînes polypeptidiques unies entre elles par des liaisons non covalentes. Chacune de ces isoenzymes se trouve dans la totalité des cellules mais dans des proportions très différentes. Ainsi, le cœur contient-il comme le globule rouge, de grandes quantités de LDH 1 (H4), le foie les LDH 4 et 5, le cerveau et le rein de la LDH 1, les lymphocytes de la LDH2 (H2M2) et le muscle LDH5 (M4) ... L’affinité de ces LDH pour leurs substrats diffère sensiblement, permettant ainsi d’orienter la réaction vers la formation du lactate ou au contraire du pyruvate. La LDH 1 (H4) présente une très grande affinité pour le lactate qu’elle transforme rapidement en pyruvate. Si cette réaction semble marcher dans le «bon sens» au niveau du muscle cardiaque et du rein (récupération de l’acide lactique plasmatique comme substrat énergétique), elle ne paraît pas particulièrement adaptée au globule rouge qui se trouve être l’un des principaux fournisseurs de lactate au repos. Dans le cas de l’érythrocyte, la grande quantité de pyruvate produit par la glycolyse ne pouvant être utilisée par une autre voie, la faible affinité de la LDH 1 pour le pyruvate se trouve compensée par l’importance du rapport pyruvate/lactate. Lors de l’exercice il est possible que la très forte concentration plasmatique en lactate inverse le sens de cette réaction, transformant peut être ainsi l’érythrocyte en consommateur de lactate. La LDH de type musculaire (M4) est présente en grande quantité dans les organes à métabolisme anaérobie élevé. Elle se caractérise par une très grande affinité pour le pyruvate et fonctionne dans le sens pyruvate - lactate, c’est-à-dire dans la direction la plus souhaitable pour le muscle lors de l’exercice physique. Dans ce cas très particulier, la réaction se trouve également stimulée par la très forte concentration locale de NADH2, notamment pendant les efforts pratiqués en «anaérobie». Au niveau du foie les LDH 4 et 5 présentent une affinité du type de celle observée au niveau musculaire, c’est-à-dire préférentielle pour le pyruvate. Le sens de fonctionnement de cette réaction est pourtant dicté par les conditions locales (rapport NAD/NADH2 élevé, taux de pyruvate très bas). A ce niveau, le pyruvate se trouve en effet très rapidement transformé en oxaloacétate pour participer à la néoglucogenèse ou en acétyl CoA pour entrer dans le cycle de Krebs. La répartition de cette isoenzyme est également fonction du type de cellule musculaire. Les fibres de type I sont riches en H4 et les fibres IIb en M4. 4.2.4.2 Cycle Lactate Glucose Pendant la pratique d’un exercice physique, les muscles en activités produisent de grandes quantités de lactate pour assurer le maintient du rapport Oxyd/Reduc du cytoplasme. Les protons fixés sur le pyruvate sont donc véhiculés vers le foie sous forme d’acide lactique où ils seront à nouveau fixés sur NAD tandis que le pyruvate rentrera dans la néoglucogenèse. Le cycle (lactate glucose) est donc un moyen pratique de transporter des H+ d’une zone de production excessive (le muscle) vers le foie. Cette opération permet d’autre part de régénérer du NAD indispensable à la poursuite de la glycolyse musculaire. 41 MUSCLE PLASMA Glucose FOIE G G Pyruvate NADH2 Cycle de Cori NAD NADH2 Pyruvate NAD Lactate Lactate Lactate 4-2-5 Relation avec le métabolisme des acides aminés 4.2.5.1 Transamination Le pyruvate peut être aminé par une enzyme réversible, la Glutamate Pyruvate Transaminase (GPT) Glutamate pyruvate transaminase Pyruvate Alanine Glutamate Alphacéto glutarate Cette enzyme ubiquitaire est présente dans toutes les cellules de l’organisme, dans le cytoplasme et dans les mitochondries. Il s’agit d’une réaction réversible en fonction des concentrations de substrat. L’interconversion Alanine glucose permet de synthétiser des acides aminés à partir du pyruvate ou de transformer l’alanine en pyruvate (réaction particulièrement intéressante lors de l’exercice physique). 4.2.5.2 Cycle alanine/glucose Le cycle alanine/glucose est stimulé lors de l’activité musculaire. Son intérêt majeur est de permettre, par transamination, l’utilisation locale des chaînes carbonées issues des acides aminés branchés musculaires. Le groupement amine est fixé sur le pyruvate, le transformant ainsi en Alanine. Cette molécule quitte le muscle et gagne le foie, où par transamination elle se retransformera en pyruvate. Pendant l’exercice physique l’alanine, comme le lactate, est un précurseur essentiel de la néoglucogenèse. Formation de l’alanine dans le muscle Cette réaction existe dans pratiquement la totalité des cellules de l’organisme au niveau du cytoplasme et de la mitochondrie. Glutamate pyruvate transaminase Pyruvate Alanine Glutamate Alphacéto glutarate 42 Le glutamate a pour origine les NH2 originaires des acides aminés branchés. Acides Aminés Branchés (AAB) Chaîne hydrocarbonée Transaminase Alphacéto glutarate Glutamate Utilisation de l’alanine dans le foie GPT Alanine Néoglucogenèse Pyruvate Glucose Cycle de l’urée Alpha céto glutarate Glutamate Urée L’alanine est essentiellement utilisée au niveau du foie et du rein. La réaction inverse permet de régénérer le pyruvate qui peut être utilisé dans le cycle de Krebs ou pour la néoglucogenèse. Comme pour les protons (cycle lactate - glucose) le pyruvate sert aussi de transporteur à NH2 d’une région d’hyper production (le muscle), vers un organe capable de prendre en charge ce métabolisme (cycle de Linée) MUSCLE PLASMA FOIE G Pyruvate G Glutamate Glutamate Pyruvate Cycle de Linée Alpha céto Alpha céto Alanine Alanine Alanine 43 V NEOGLUCOGENESE La néoglucogenèse ou gluconéogenèse correspond à la formation de glucose par le foie à partir de précurseurs issus des acides aminés, du glycérol et de l’acide lactique. Bien que le rein présente la capacité d’utiliser cette voie, notamment lors des états d’acidose, le foie est pratiquement le seul organe susceptible de fournir des quantités appréciables de glucose néoformé à l’ensemble de l’organisme. La néoglucogenèse suit le trajet inverse de la glycolyse (du pyruvate au glucose) excepté au niveau des trois étapes irréversibles (glucokinase, phosphofructokinase, pyruvate kinase). 5.1 Voie de la néoglucogenèse 5.1.1 Contournement de la pyruvate kinase Le pyruvate cytoplasmique issu de l’acide lactique, des acides aminés ou du glycérol (jamais du glucose) franchit la barrière mitochondriale pour être transformé en oxaloacétate par la Pyruvate carboxylase, réaction nécessitant du CO2, de la biotine et un ATP. Pyruvate carboxylase Biotine-CO2 + Pyruvate ATP Oxaloacétate ADP La membrane mitochondriale étant imperméable à l’oxaloacétate celui-ci est transformé en malate grâce à la malico-déshydrogénase (MD) et à un NADH2. Ce dernier franchit facilement la membrane pour gagner le cytoplasme où il redonnera de l’oxaloacétate grâce à la même enzyme. Ce système est connu sous le nom de navette malique. La navette a pour principal objet de sortir de la mitochondrie de l’oxaloacétate en vue de sa transformation en phosphoénolpyruvate (PEP) pour la néoglucogenèse. Cette navette est particulièrement active lors de l’exercice physique et du jeûne. La stimulation des récepteurs hépatiques par le glucagon et l’adrénaline provoque une stimulation de la néoglucogenèse et une dégradation du pyruvate issu de l’alanine ou de l’acide lactique en oxaloacétate La sortie de l’oxaloacétate s’accompagne d’une libération cytoplasmique de NADH2 (modification du potentiel redox du cytoplasme) qui sera utilisé par la néoglucogenèse pour régénérer le 3 PGA. Mitochondrie Oxaloacétate Mbne Cytoplasme Oxaloacétate NADH2 NADH2 MD NAD Malate MD NAD Malate Dans le cytoplasme l’oxaloacétate est transformé en Phospho-Énol Pyruvate (PEP) grâce à la PEP-carboxy-kinase, enzyme irréversible nécessitant la consommation d’une liaison riche en énergie. 44 PEP-carboxy-kinase Oxaloacétate PEP + CO2 ITP IDP 5.1.2 Contournement de la PFK Cette réaction s’effectue grâce à une phosphatase. Cette enzyme très peu active constitue l’étape limitante de la néoglucogenèse, elle est soumise à plusieurs régulations dont notamment celle du fructose 2-6 di P. Cortisol Catécholamine Glucagon ++++ AMP c +++ Protéine kinase F6P ----- F6P ++++ PFK 2 F 2-6 di P ase F-2-6-P ++++ F-2-6 P F-1-6-P +++ Phosphatase Active F-1-6-P F-6-P F-1-6-P Phosphatase Inactive PFK1 F-6-P F-1-6-P 5.1.3 Contournement de la glucokinase Le glucose 6 P ne pouvant franchir la membrane cellulaire de l’hépatocyte, il doit au préalable être déphosphorylé. Cette opération est réalisée par la Glucose 6 Phospho Phosphatase, enzyme présent dans les cellules pourvues d’une néoglucogenèse (foie et rein). La glucose 6 phosphatase se trouve du côté luminal des canalicules endoplasmiques et ne peut donc agir que sur le G-6-P qui a traversé la membrane grâce à un transporteur spécifique. Ce système constitue le facteur limitant. Le G-6-P ne traverse cette première partie de la membrane que pour des concentrations élevées (activité intense de la néoglucogenèse). +++ G-6-P phosphatase Glucose 6 P Glucose + Pi 45 5.2 Résumé de la néoglucogenèse Pyruvate carboxylase Malico déshydrogénase Pyruvate Oxaloacétate Malate ATP mitochondrie ADP NAVETTE PEP carboxykinase PEP ADP 2 phosphoglycérate Malico-déshydrogénase Oxaloacétate ATP ATP 3 phosphoglycérate cytoplasme Malate ADP Ac 3 P glycérique NADH2 NAD Phosphofructo-phosphatase Fructose 6 P Fructose 1-6 P 3 Phospho-glycéraldéhyde (2 molécules sont nécessaires) Glucose 6 P phosphatase Glucose 6 Glucose + Pi 5.3 Bilan de la néoglucogenèse : Il s’agit d’une synthèse donc d’un bilan négatif. Deux molécules de pyruvate (triose) ne donnent qu’une seule molécule de glucose (hexose). Sur le plan énergétique 6 ATP sont nécessaires ainsi que deux NADH2. 5.4 Précurseurs Les principaux précurseurs sont : - L’acide lactique issu des globules rouges et des muscles en activité. Dans un premier temps l’acide lactique est transformé en pyruvate grâce à la lacticodéshydrogénase. - Certains acides aminés dit «glucoformateurs» dont le principal est l’alanine. Ces acides aminés ont pour origine les acides aminés libres du plasma (quantité très limitée), les acides aminés issus de la protéolyse des structures et ceux ingérés par le sujet. - A un moindre degré le glycérol issu de la lipolyse 5.5 Régulation de la néoglucogenèse La néoglucogenèse ne peut se dérouler qu’en présence d’une concentration élevée d’ATP, elle est impossible en présence d’AMP ou d’ADP par défaut de charge énergétique. Heureusement, la très grande stabilité de la charge énergétique hépatocytaire, même dans des conditions d’exercice musculaire très violent, permet à cette voie métabolique de fonctionner dans d’excellentes conditions. 46 Cette fonction est assurée localement par l’ATP et l’acétyl CoA mais surtout par l’insuline, les catécholamines, le glucagon et les glucocorticoïdes. 5.5.1 Hormones régulatrices Elles sont au nombre de quatre, l’insuline, les catécholamines, le cortisol et le glucagon. 5.5.1.1 Insuline L’insuline réprime (diminution de la synthèse protéique enzymatique) et inhibe la néoglucogenèse. Cette inhibition porte sur la voie métabolique (AMPc) mais aussi sur les substrats (moins grande dégradation des acides aminés). La diminution de la concentration d’insuline pendant l’exercice lève cette inhibition. Cependant, même dans le cas où la chute de l’insulinémie ne se produit pas, erreur diététique, mauvaise qualité de l’entraînement, pendant l’exercice physique, un taux très élevé d’insuline (100 *UI/ml) ne parvient pas à inhiber l’activation induite par les catécholamines. Lors de l’exercice la chute de l’insulinémie lève l’inhibition. 5.5.1.2 Catécholamines Les catécholamines activent la néoglucogenèse via l’AMPc. Lors de l’exercice les catécholamines circulantes inhibent la glycolyse et activent la néoglucogenèse. 5.5.1.3 Glucagon Le glucagon est un puissant activateur dont l’action hyperglycémiante est rapide. Il agit en favorisant la captation de certains acides aminés (alanine, glycine, arginine, lysine, phénylalanine), et en augmentant la synthèse de PEP. Il active d’autre part la fructose1-6 di phosphatase, diminuant ainsi la concentration en F 1-6 P. A plus long terme le glucagon induit la synthèse par réplication de l’ARNm des enzymes de la néoglucogenèse. Le glucagon intervient essentiellement à jeun pour maintenir la glycémie à un taux normal. Son rôle pendant l’activité physique est très discuté. 5.5.1.4 Cortisol Les glucocorticoïdes induisent la synthèse des enzymes clés de la néoglucogenèse (Glucose 6 Phosphatase, Fructose 1-6 di Phosphatase, PEP Carboxykinase, Pyruvate Carboxylase, GOT). Ces synthèses sont très rapides (une à deux heures). Il semble que leur action soit indispensable à l’activation des catécholamines et du glucagon. De plus, le catabolisme protidique et la lipolyse induits par les glucocorticoïdes, augmentent la quantité de substrat disponible. Lors de l’exercice physique, l’augmentation de la cortisolémie active la néoglucogenèse. 47 5.5.2 Enzymes régulées Activations L’activation s’effectue essentiellement au niveau de la pyruvate carboxylase et de la fructose 1-6 di phosphatase. La pyruvate carboxylase est activée allostériquement par l’acétyl CoA et l’ATP. Une concentration élevée d’acétyl CoA témoigne d’un catabolisme intense des acides gras vecteurs d’énergie et d’équivalents réducteurs indispensables à la néoglucogenèse. La PEP carboxykinase est activée par l’AMPc La fructose 1-6 di phosphatase est activée par l’ATP et inhibée par l’AMP et le fructose 2-6 P. Cette dernière régulation dépend de l’activation de la protéine kinase par l’AMP cyclique. Toute augmentation du glucagon ou de l’adrénaline tend à diminuer le taux de fructose 2-6 P donc à lever l’inhibition. Inhibitions Pour éviter des cycles futiles, la glycolyse et les voies métaboliques utilisant le glucose doivent être inhibées quand la néoglucogenèse est activée. Cette inhibition porte sur la PFK 1, la pyruvate kinase et l’isocitrico-déshydrogénase. Néoglucogenèse PEP Lactate Oxaloacétate Pyruvate OA Acétyl CoA Malate Citrate PD Acides gras mb mitochondriale +++ --Citrate synthétase O .A. + Acétyl CoA PCK --Citrate Isocitrate-déshydrogénas ATP - (NADH2) Alpha Céto glutarate Malate Pyruvate kinase Cette inhibition permet d’éviter la transformation du PEP en pyruvate tout en maintenant des concentrations très élevées de PEP, indispensable à la remontée de la voie métabolique vers le 3 P glycéraldéhyde. Elle est assurée par le glucagon via l’AMPc, l’ATP et le Mg++ 48 Isocitrico-déshydrogénase Cette enzyme n’est pas à proprement parlé une enzyme de la néoglucogenèse mais, son inhibition par le NADH2 (généré par un catabolisme intense des acides gras) permet d’augmenter localement le taux d’isocitrate et d’orienter ce constituant vers l’oxaloacétate (sortie du citrate de la mitochondrie, action de la citrate lyase). Glucokinase Cette enzyme fonctionne quand la concentration de glucose cytosolique est élevée. Dans le cas de la néoglucogenèse c’est la concentration de G-6-P qui est forte et freine ainsi la glucokinase. Lactate Alanine Glycérol Pyruvate Fructose 6 P Fructose 1-6 P Fructose 1-6P phosphatase Acétyl CoA +++ Pyruvate carboxylase Pyruvate Oxaloacétate PEP Fructose 2-6 di P Malate Oxaloacétate Malate PEP Carboxylase +++ AMPc Catécholamines Glucagon +++ Glucose 6-P phosphatase Glucose 6 P Glucose 5.5.3 Rendement Au repos un gramme d’acide aminé donne environ 0.65 g de glucose, la production de glucose originaire de cette voie est faible (<0.5 g/h). Pendant un exercice cette valeur peut être multipliée par 10 pour le glucose provenant des acides aminés et par 50 pour le glucose provenant du lactate. 49 VI METABOLISME DE L’ALCOOL 6-1 Absorption de l’alcool L’alcool est très rapidement transféré de l’intestin dans la veine porte, puis dans la circulation générale. Son absorption est encore plus rapide si le mélange ingéré est sucré. 6-2 Métabolisme L’alcool est dégradé par l’alcool déshydrogénase en acétaldéhyde Alcool déshydrogénase CH3-CH2OH Zn+ NAD CH3-CHO NADH2 Ethanol Acétaldéhyde L'alcool déshydrogénase est une enzyme qu'on trouve dans le cytoplasme de la plupart de nos cellules. Elle catalyse l'oxydation de l'éthanol en acétaldéhyde en réduisant simultanément un coenzyme NAD+ en NADH. Cependant, lors de l’ingestion d’alcool, c’est le foie qui déshydrogène la plus grande partie de ce métabolite. Cette réaction se déroule selon un mécanisme de type bi ordonné : l'enzyme n'a pas d'affinité pour l'alcool si elle n'est pas préalablement associée au coenzyme NAD+ en un premier complexe ; puis le complexe ternaire Enzyme-NAD+-Ethanol se transforme en un complexe Enzyme-NADHAcétaldéhyde ; ce dernier complexe se dissocie en libérant l'acétaldéhyde puis le NAD réduit. Le foie peut aussi oxyder partiellement l'alcool par des hydroxylases à cyt p450 (CYP 2E1) inductibles. Il existe aussi une très faible oxydation par des catalases. Le rein réabsorbe l'alcool, si bien que l'élimination urinaire directe de l'alcool ne dépasse pas 2 % de la dose ingérée. L’acétaldéhyde produit par la déshydrogénation de l’alcool est oxydé à son tour pour donner de l’Acétyl CoA qui peut soit peut entrer dans le cycle de Krebs (et donner 18 ATP), soit être incorporé à la synthèse des acides gras. Aldéhyde déshydrogénase HS-CoA CH3-CHO CH3-CoA NAD Acétaldéhyde NADH2 Acétyl CoA L’aldéhyde déshydrogénases est une flavoprotéine hépatique qui capte les aldéhydes et les oxydent en acides au niveau de la mitochondrie. Au cours de l'oxydation de l'acétaldéhyde, un coenzyme NAD+ est réduit, et l'acide acétique produit est lié au coenzyme A par une liaison riche en énergie. 6-3 Toxicité de l’alcool + Hépatique Il n'existe pas de régulation de la voie de captation et d'oxydation de l'alcool éthylique par les cellules, notamment les cellules hépatiques. Cette particularité provoque donc une augmentation importante du rapport HADH2/NAD. L'acétyl-CoA produit en grande quantité, ne sera pas utilisé en 50 totalité par le cycle de Krebs, mais en partie utilisé dans la voie de la lipogenèse, ce qui provoquera assez rapidement une stéatose hépatique et une souffrance des hépatocytes objectivée par l’augmentation plasmatique des gammaGT. + Vasculaire L’alcool est un puissant activateur de la HMG CoA réductase, enzyme clé de la synthèse du cholestérol. L’intoxication éthylique est donc responsable d’une hypercholestérolémie et d’un risque important d’athérome. + Neuronale L’alcool présente une double activité toxique sur les neurones. D’une part une dégénérescence cellulaire, d’autre part un effet d’accoutumance responsable du processus d’addiction. La sensation d’ébriété est fonction du taux d’alcool dans le sang et de la durée de l’imprégnation alcoolique, c'est-à-dire de la vitesse avec laquelle l’alcool déshydrogénase et l’aldéhyde déshydrogénase métabolisent l’alcool en Acétyl CoA. Deux phénomènes sont susceptibles de jouer sur la vitesse du catabolisme + Un processus adaptatif qui porte sur l’alcool déshydrogénase. Cette enzyme est, comme quelques autres enzymes hépatiques, inductible. L’ingestion répétée d’alcool provoque ainsi une augmentation des capacités à cataboliser l’alcool éthylique en aldéhyde. Plus le catabolisme est rapide, moins le taux d’alcool plasmatique reste élevé, phénomène qui peut repousser la sensation d’ébriété et pousser à prolonger la consommation. + Un processus inné par mutation d’un gène. Ce phénomène a été mis en évidence dans diverses populations, notamment chez les asiatiques et les amérindiens. La mutation porte sur un isoenzyme de l’aldéhyde déshydrogénase l’ALDH2 qui fait défaut dans certaines populations asiatiques (La revue « pour la Science » de Juillet 2007 note que 44% des japonais présentent cette mutation, 53% des vietnamiens, 27% des coréens et 30% des chinois avec un pic pour l’ethnie Han à 45%). Cette inefficacité de l’enzyme maintient des taux élevés d’aldéhyde dans le sang ce qui provoque des sensations ébrieuses prolongées et surtout un syndrome de dépendance. 51 VII METABOLISME HEPATIQUE DES HYDRATES DE CARBONE Les principales voies métaboliques hépatiques agissent en synergie. Deux grandes directions sont possibles, la mise en réserve de glycogène ou d’acides gras via la glycolyse, la libération de glucose dans la circulation provenant de la néoglucogenèse et de la glycogénolyse. 7-1 Anabolisme énergétique L’anabolisme énergétique est mis en route par l’absorption des hydrates de carbone. L’anabolisme énergétique est stimulé par l’insuline qui active : La glycogénogenèse La glycolyse Cette voie métabolique provoque la formation de grandes quantités d’acétyl CoA qui seront métabolisé en acides gras et exportés sous forme de triglycérides vers les adipocytes. Glycogène Glycogénogenèse +++ Glucose alimentaire G-6-P G Insuline Glycolyse +++ Pyruvate Acétyl CoA Acides gras 7-2 Catabolisme énergétique Le catabolisme énergétique est mis en route pour maintenir la glycémie ; au repos lors du jeûne (Glucagon), à l’exercice musculaire (catécholamines). Le catabolisme énergétique aboutit à la formation de glucose qui peut provenir : Des réserves de glycogène hépatique De la néoglucogenèse, c'est-à-dire du métabolisme musculaire (acide lactique), adipocytaire (glycérol) ou tissulaire (acides aminés). Glycogène Glycogénolyse +++ Jeûne Alimentaire Glucagon G-6-P G Catécholamines Contraction musculaire Néoglucogenèse +++ Acides aminés Pyruvate Lactate 7-3 Utilisation des substrats énergétiques Les trois principaux hydrates de carbone sont intégrés dans le métabolisme à divers niveaux. 52 Glycogène Galactose G-1-P UDP Gal Glucose Glycogénogenèse +++ UDP Glu G-6-P G Insuline Glycolyse +++ F-6-P Fructose F-1-P F-1-6-P Pyruvate Acétyl CoA Acides gras La voie métabolique partant du F-1-P au G-6-P ( ) n’est effective qu’au début de l’ingestion de fructose, avant que la décharge d’insuline n’implique la totalité du F-1-P dans la glycolyse et la formation des lipides. Ce mécanisme explique pourquoi au début de l’ingestion de fructose, une partie de ce dernier est synthétisé en glucose, mais aussi pourquoi le fructose est accusé de favoriser la synthèse des acides gras. Un mécanisme du même type peut être décrit pour le galactose au niveau de la voie du glycogène. 53